動態聚焦激光振鏡掃描系統的誤差分析及圖形校正算法.pdf

份態象金激疙非在鏡掃描系統份錢差令祈怠⑤荷鄉鎮正算法

文世峰，史玉升，謝 軍

(華中科技大學材料學院塑性成形模擬及模具技術國家重點實驗室，湖北武漢 430074)

摘 要:動態聚焦激尤振鏡掃描系統廣泛應用于大幅面激尤掃描領域，在實現振鏡高速掃描的同時，

必須要保證掃描圖形的精度。本文從動態聚焦激光振鏡掃描系統的原理入手，分析了動態聚焦激光振鏡

掃描系統圖形誤差產生的原因，并給出了掃描圖形的誤差校正模型和精確校正算法，并在華中科技大學

快速成型中心的粉末燒結快速成型設備上進行了試驗驗證。

關鍵詞:振鏡;動態聚焦;誤差校正;算法

中固分類號 :TN 24 文獻標志碼 :A

Error Analysis and Graphics Calibration Arithmetic of Laser

Galvanometer Scanner System with Dynamic Focus

WEN Shife噸 .SHI Yusher鳴 .XIE Jun

CMaterial Sciellce and Technology Institute. Huazhong University of Science and Technology. Wuh且n 430074. China)

Abstract , Laser galvanometer scanner system with dynamic focus is widely used in the field of laser scanning with big

work field. The accuracy of scanning graphics is very important when the sca.nner scans quickly. This paper a.nalyzes the

reasons of generating scanning error of laser galvanometer scanner system with dynamic focus based on the theory of the

system. and brings out the calibration arithmetic. According to this. we experiment on the selective la.ser sintering ma.chine

in the rapid production department of Huazhong university.

Key words ,Galvanometer scanner , Dyna.mic focus , Error calibration , Arithmetic

激光掃描技術是激光技術應用領域發展的一個

重點方向。振鏡式激光掃描方式以其快速、精確的

特點得到了廣泛的應用。在振鏡式激光掃描過程中

要考慮很多因素，就拿掃描視場來說，要考慮優化組

合聚焦光斑的大小、掃描面積、焦深、工作距離和掃

描線性度等因素，才能掃描出效果很好的圖形。由

于受掃描模型、機械安裝以及控制系統的影響，動態

聚焦激光振鏡掃描系統必須經過圖形校正才能在工

作面上掃描出精確圖形。本文分析了系統誤差產生

的原因，并給出了圖形校正的精確算法。

1 系統原理

在振鏡掃描系統中，為了在掃描場上獲得較大

的激光能量密度，一般需要對激光器出來的光束進

行聚焦處理。在大視場掃描中，為了糾正掃描平面

上點的聚焦誤差，通常需要在振鏡系統前端加入動

態聚焦系統;激光器發射的光束經過擴束鏡之后，得

到均勻的平行光束，再經過動態聚焦鏡聚焦，依次投

射到 X 、Y 軸振鏡上，最后經過 2 個振鏡，二次反射

到工作臺面上，形成掃描平面上的掃描點。理論上，

我們可以通過控制振鏡式激光掃描系統鏡片的相互

協調偏轉來實現平面上任意復雜罔形的掃描。振鏡

式激光掃描也存在著原理性的誤差，即掃描畸變，我

們可以采用軟件編程的方法來消除畸變。

2 聚焦誤差分析

動態聚焦振鏡式平面掃描過程中存在著聚焦誤

差和枕形誤差。如圖 1 所示，如果聚焦鏡為靜態聚

焦，則激光束的聚焦面為以振鏡為中心的一個球面，

由于激光束聚焦有一定的焦深，當掃描面較小時，離

焦誤差在可以忍受范圍內。而當掃描幅面較大時，

必須通過動態聚焦的方式來補償離焦誤差。

固 1 離焦誤差去意圖

動態聚焦振鏡式激光掃描時存在著掃描圖形的

線性失真和非線性失真，特別是當掃描區域較大時，

嚴重影響了激光掃描的加工質量，也給進一步分析

處理帶來困難。而描述理想圖和畸變圖之間的地址

映射關系的平面坐標變換方法能夠很好地解決這個

問題。在圖 2 所示的坐標系中，當振鏡 X 軸和 Y 軸

偏轉角為零

總結

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